严寒地区深基坑土体温度场动态变化研究

邵 莹

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西西安 710043)

1 引言

在严寒地区，低温及大温差对深基坑支护结构及周边土壤带来的影响是不可忽视的[1]，地铁基坑常用止水和竖向深基坑开挖方式[2]，基坑开挖后，坑底及支护结构背侧水土将受到低温的严重影响，严寒条件下易引起水土冻胀，目前水土冻胀的机理研究尚不深入，国内设计和施工规范规程也未明确水土冻胀力计算方式以及水土冻胀对支护结构影响的量化计算，对严寒条件下明挖基坑支护设计造成很大的困扰。

季节性冻土地区温度是影响冻胀的重要因素[3]，准确掌握越冬基坑温度变化规律对研究基坑冻胀具有重要意义，分析冻胀应力首先需要建立合理的土体温度场。近年来，国内对冻融环境下深基坑温度场分布及冻胀应力影响进行了大量研究，杜东宁[4]依托毗邻沈阳市政府的东森CBD商务广场二期基坑工程，模拟研究冻融循环作用下基坑在越冬过程中基坑支护变形和内力规律；武军红[5]在北京地铁十三陵景区站基坑采用COMSOL数值模拟软件，建立水、热、力三相耦合数值模型，揭示越冬基坑温度场、水分场及应力场中变量及参数的分布变化规律；彭第[6]通过有限元数值分析软件，建立基坑冻结过程中温度场模型，研究冻土墙用于深基坑支护工程冻结过程中冻结时间、冻结距离与冻结温度的关系；王艳杰[7]通过COMSOL多物理场耦合有限元分析软件，建立越冬基坑模型，对水平冻胀力的影响因素进行了研究；孙超、邵艳红[8]通过有限差分软件FLAC3D，建立季节性冻土地区基坑桩锚支护计算模型，模拟分析基坑工程冻融作用。

本文结合呼和浩特地铁1号线地下车站深基坑土温测试结果，以及深基坑温度场的数值模拟，分析和研究严寒条件下围护结构背侧水土温度动态变化规律，为进一步研究温度及含水量变化条件下水土冻胀应力打下坚实的基础。

2 工程概况

2.1 场地水文和气象条件

呼和浩特市属于温带干旱半干旱气候区，冬季时间较夏季长，且冬季温度较低，季节变化剧烈且四季变化明显，全年降水较少，受阴山山脉的影响较大。据相关资料，呼和浩特地区降水集中在7～9月，占全年降雨量的70%以上，极端最高气温为38.5℃，历史记录最低气温为-41.5℃；呼和浩特市城区的主要气象指标如表1所示。

表1 主要气象指标

场地赋存地下水类型为潜水，潜水水位埋深为4.30～8.6 m，含水层主要为粉土③3层、粉砂③4层、细砂③5层、中砂③6层、粗砂③7层、圆砾③9层，主要接受北部山前的侧向径流补给及大气降水入渗补给，排泄方式以径流排泄为主；动态变化约在1.5～3.0 m。

2.2 场地地质条件

根据钻探资料及室内土工试验结果，场地土层主要由人工堆积层、砂土、黏土三类组成。基坑外侧土体大致分为3个大层。

2.3 基坑支护设计

地铁车站采用地下两层双柱三跨的结构形式，现场测试位置基坑宽度22.7 m，深度约18.4 m，车站采用明挖(局部盖挖)顺作法施工，基坑围护结构采用地下连续墙，基坑内设砼/钢管内支撑，车站主体为现浇钢筋混凝土箱形框架结构，结构外设置全外包防水层。

3 现场土体温度测试

3.1 土温现场测试

本次测试主要对基坑周围土体温度、土压力进行测试。测点的选择集中在已经开挖到底部的基坑的坑壁。布置测量土压力的测点集中在离基坑最近的探测孔内，距离地下连续墙10 cm左右，以便能更好地测得土体冻胀力。为了能够更好地分析温度沿着基坑的分布情况，温度探测器沿着平行于地下连续墙竖直方向进行布置，一共布设2个断面，每个断面布置4个探测孔，每个探测孔离地下连续墙距离分别为10、60、110、160 cm，对应每个探测孔的深度依次是26、22、17、17 m。因为冻胀主要发生在基坑上部，为了能对探测孔内的数据进行更加精确的分析，故每个探测孔在深度方向的布置密度按照“上密下疏”的原则进行布设。本次温度测试时间是从2017年11月至2018年4月，测试频率按照地温和气温进行综合考虑[9]。

3.2 温度场现场测试结果

起始状态的测试结果见图1，从2017年11月监测数据可见此时土体温度横向较为均匀，且土体冻深较小。此后随着气温降低，土体温度出现明显的梯度，距离坑壁土体最远端探测孔温度较距离坑壁土体近端探测孔温度高，且有距离坑壁越远土体温度越高的趋势。由于基坑侧壁处于双向冻结过程中，距坑壁10 cm处探测孔数据为温度场数据包络温度线，在2017年12月最大冻深为6 m，温度场在2018年2月底达到最大冻深13 m，见图2。温度变化波动主要集中在3 m以上的范围内，3 m以下范围的温度场具有明显的规律性。温度梯度在2017年11月至2017年12月较大，2018年3月达到极小值。由于基坑冻胀初期土体温度的滞后性导致基坑侧壁土体初期具有较大的温度梯度，且由于冻土与非冻土热学性质的差异导致此时的冻结过程为非稳定态。在基坑侧壁冻结锋面停止移动后温度梯度达到最小值，且温度曲线呈相对线性，冻土与非冻结土之间热学性质差异减小。

图1 2017年11月温度场监测数据

图2 2018年2月温度监测数据

4 深基坑温度场数值模拟

4.1 计算模型

数值模拟基于COMSOL Multiphysics对温度场进行分析。温度场分析基于傅里叶定律与能量守恒定律建立温度场方程，水分场分析基于达西定律与质量守恒定律建立水分场方程[10]。计算模型采用多孔介质模块、微分方程模块分析流热耦合，其中多孔介质模块为系统内置模块，微分方程为自定义耦合模块，在COMSOL Multiphysics计算过程中，先将各个模块转换为弱微分方程并求解该微分方程，通过对该方程的求解，进一步得到温度场的变化情况[11-12]。

基坑表层土体温度基于2017年11月至2018年4月呼和浩特地区气温数据，为获取基坑表层土体温度数据，通过对该气温数据的拟合得出基坑表层土体温度曲线，由于监测时间间隔较长，故在实际建模计算的过程中需要对离散数据进行插值，如图3所示。由于数据本身离散点多，且数据震荡较为频繁，为了避免过拟合或出现龙格现象，对温度场数据采用三次插值[13]，如式(1)所示。

图3 2017年11月至2018年4月呼和浩特地区温度气候变化图

土层材料参数与温度计算物理参数如表2所示。

表2 土体热物理参数及材料参数

4.2 计算结果

为了与现场实测数据进行对比分析，模型求解总时长为150 d，步距为1 d，温度变化情况基于2017年11月至2018年4月呼和浩特地区温度变化情况进行设定。图4表示30 d时基坑温度场分布情况。通过对比分析，土体表面温度变化受气温影响较大，与气温存在实时变化趋势。

图4 30 d时基坑温度场数值计算(单位：℃)

为分析模型温度场随时间变化规律，对三维模型截面进行研究，选取典型截面进行温度场分析。初始状态下，基坑表层温度在气温的影响下变化较大。图5给出了基坑截面温度场在150 d时的变化情况。

图5 150 d后基坑截面温度场变化

在模型降温初期，土体温度变化集中在表层，土体内部温度变化较小，温度梯度较大。随着模型降温时间增加，温度曲线逐渐扩展，土体内部温度变化较为平缓，温度梯度逐渐减小。空气温度降低到最低点时，土体温度扩散未达到极大值。土体温度场呈现出逐步扩大趋势，但扩展速度较缓慢。50 d后基坑外侧土体温度曲线出现拐点，是由于基坑外侧地下连续墙导热系数较大，使得外侧土体受气温影响较小。基坑上侧土体温度较基坑外侧土体温度较低，故呈现温差拐点。100 d后基坑上侧土体等温线出现明显波动，是由于此时地表温度开始回升，表层土体受气温影响较大。地表气温回升对基坑温度场影响于150 d时达到最大，此时基坑土体温度存在明显的温度夹层，使得夹层中温度较上下两侧温度较低，土体温度处于双向升温的状态。

4.3 与测试数据对比

通过对比检测数据与数值模拟数据，得到检测断面距离地下连续墙0.3 m土体位置实际冻深与模拟冻深的关系。如图6所示，现场检测试验值与数值模拟值变化规律一致。由于测点位于基坑外侧边缘，故受到地下连续墙外侧温度影响较大。观察可知，土体在冻结过程中初期冻结深度较小，当土体处于双向冻结状态时冻深迅速增大直至最大冻深。随着基坑内侧温度升高，冻深随着土体温度的回升而快速减小。

图6 基坑冻深实际值与模拟值对比

5 结束语

(1)土体中温度存在两个变化区段，第一个变化区段为距离挡土墙顶部0～5 m范围，第二个变化区段为距离挡土墙顶部15～20 m范围，第一个变化区段受大气温度影响较大，且在土体的两个变化区段中存在一个恒温层。冻胀初期受表层温度影响较大的范围主要集中在5 m以内，恒温层范围为5 m以下。随着外部温度的逐渐下降，土层冻结深度在逐渐增大，且恒温层也随之下降，在2月初达到最低。

(2)基坑外侧边缘土体温度由于受双向降温的影响，故其最大冻深较一般情况下土体冻深大，且在距离基坑0.5 m范围内最大冻深达到15 m。在基坑外侧边缘的土体零摄氏度等温线较陡峭，其温度下降速率较大，但该区域土体低于零摄氏度范围相对较小，且受气温影响较大。

(3)基于水热力耦合模型，使用COMSOL Multiphysics有限元软件对基坑温度场进行模拟仿真，模拟数据与现场检测试验数据变化规律基本相同，可以作为基坑温度场模拟计算有效手段。